Come materiali di cui non hai mai sentito parlare potrebbero ripulire l'aria condizionata

Tubi e altri componenti di un prototipo di materiali calorici sviluppato presso l'Università del Maryland. Cortesia: Ichiro Takeuchi

Diversi anni fa, i ricercatori dell'Università Politecnica della Catalogna e dell'Università di Cambridge hanno eseguito una serie di semplici esperimenti che potrebbero avere enormi implicazioni per il raffreddamento e la refrigerazione.

Hanno posizionato cristalli di plastica di glicole neopentilico, una sostanza chimica comune utilizzata per produrre vernici e lubrificanti, in una camera, hanno aggiunto olio e hanno abbassato un pistone. Quando il fluido si è compresso e ha applicato la pressione, la temperatura dei cristalli è aumentata di circa 40 ˚C.

Era il il più grande cambiamento di temperatura mai registrato dal mettere i materiali sotto pressione, almeno quando i risultati sono stati pubblicati in un documento sulla comunicazione della natura l'anno scorso. E alleviare la pressione ha l'effetto opposto, raffreddando drasticamente i cristalli.

Il team di ricerca ha affermato che i risultati evidenziano un approccio promettente alla sostituzione dei refrigeranti tradizionali, fornendo potenzialmente un raffreddamento ecologico senza compromettere le prestazioni. Tali progressi sono cruciali, dal momento che l'aumento della ricchezza, l'aumento della popolazione e l'aumento delle temperature potrebbero triplicare la domanda di energia dal raffreddamento degli interni entro il 2050 senza importanti miglioramenti tecnologici, i progetti dell'Agenzia Internazionale dell'Energia .

La variazione di temperatura nei materiali era paragonabile a quella che si verifica negli idrofluorocarburi che guidano il raffreddamento nei sistemi di condizionamento e nei frigoriferi standard. Gli idrofluorocarburi, tuttavia, sono potenti gas serra.

Il lavoro si basa su un fenomeno noto da tempo, familiare se hai mai allungato un palloncino e l'hai toccato alle labbra , in cui i cosiddetti materiali calorici rilasciano calore quando posti sotto pressione o sollecitati. In alcuni casi, anche l'invio di determinati materiali a campi magnetici ed elettrici, o una combinazione di queste forze, fa il trucco.

Gli scienziati hanno sviluppato frigoriferi magnetici basati su questi principi per decenni, sebbene tendano a richiedere magneti grandi, potenti e costosi. Ma i ricercatori stanno facendo notevoli passi avanti nel campo, secondo un articolo di revisione in Scienza giovedì, scritto da Xavier Moya e ND Mathur, scienziati dei materiali dell'Università di Cambridge che hanno lavorato agli esperimenti sopra descritti.

I team di ricerca stanno individuando numerosi materiali calorici che subiscono grandi sbalzi di temperatura e li stanno mettendo in funzione in prototipi di dispositivi di riscaldamento e raffreddamento, osservano gli autori. I materiali e i dispositivi in ​​grado di rilasciare e trasferire grandi quantità di calore utilizzando elettricità, deformazione e pressione - approcci che sono decollati solo a partire da poco più di un decennio fa - stanno già recuperando il ritardo con le prestazioni raggiunte in decenni di lavoro nel magnete- dispositivi di raffreddamento basati.

Oltre a ridurre la necessità di idrofluorocarburi, la speranza è che la tecnologia possa alla fine essere più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai dispositivi di raffreddamento standard, dato il calore rilasciato rispetto alla quantità di energia necessaria per guidare il cambiamento. Una differenza fondamentale con questa tecnologia è che i materiali rimangono allo stato solido, mentre i refrigeranti tradizionali, come gli idrofluorocarburi, funzionano passando dalla fase gassosa a quella liquida.

Attivazione di un cambio di fase

Ecco come funziona la tecnologia:

Molti materiali mostrano piccole variazioni di temperatura sotto determinate forze. Ma i ricercatori sono alla ricerca di materiali che subiscono grandi spostamenti, idealmente con la minor quantità possibile di energia aggiuntiva. Tra gli altri materiali, alcune leghe metalliche hanno mostrato risultati promettenti sotto sforzo; alcune ceramiche e polimeri rispondono bene ai campi elettrici; e i sali inorganici e la gomma sembrano promettenti per la pressione.

Le forze oi campi allineano gli atomi o le molecole all'interno dei materiali in modi più ordinati, determinando un cambiamento di fase simile a quello che accade quando le molecole d'acqua a flusso libero si trasformano in cristalli di ghiaccio compatti. (Nel caso dei materiali calorici, tuttavia, il cambiamento di fase si verifica mentre i materiali rimangono in uno stato solido, sebbene più rigido.) Questo processo rilascia abbastanza calore latente per tenere conto della differenza di energia tra i due stati. Quando i materiali tornano indietro quando le forze vengono rilasciate, si produce una diminuzione della temperatura che può quindi essere sfruttata per il raffreddamento.

Questo non è molto diverso da come funzionano oggi i dispositivi di raffreddamento: decomprimono gli idrofluorocarburi al punto da passare da un liquido a un gas. Ma questo approccio di raffreddamento a stato solido può essere molto più efficiente dal punto di vista energetico, almeno in parte perché non è necessario spostare le molecole così lontano per provocare il cambiamento di fase, afferma Jun Cui, uno scienziato senior dell'Ames Laboratory.

Entrare nel mercato

La chiave per fornire dispositivi commerciali competitivi è identificare materiali a prezzi accessibili che subiscono grandi sbalzi di temperatura, si ripristinano facilmente, resistono a cicli estesi di questi cambiamenti senza rompersi (frigoriferi commerciali può funzionare per milioni di cicli ), e non sono costosi.

Alcuni materiali e casi d'uso si stanno avvicinando al raggiungimento del mercato commerciale, afferma Ichiro Takeuchi, scienziato dei materiali presso l'Università del Maryland. Lui ha lanciato una società per produrre dispositivi di raffreddamento da materiali che rispondono allo stress circa un decennio fa, chiamato Maryland Energy & Sensor Technology.

Il suo gruppo di ricerca ha sviluppato un prototipo di dispositivo di raffreddamento che comprime e rilascia tubi in nichel titanio per indurre riscaldamento e raffreddamento. L'acqua che scorre attraverso i tubi assorbe e dissipa il calore durante la fase iniziale, quindi il processo funziona al contrario per raffreddare l'acqua che può essere utilizzata per raffreddare un contenitore o uno spazio abitativo.

Il prototipo di dispositivo di raffreddamento sviluppato dal gruppo di ricerca di Ichiro Takeuchi.

CORTESIA: ICHIRO TAKEUCHI

L'azienda prevede di produrre una cantinetta vino, che non richiede la stessa potenza di raffreddamento di un grande frigorifero o di un condizionatore a finestra, come prodotto iniziale, utilizzando un materiale non specificato ma meno costoso.

Moya, uno degli autori del paper Science, ha cofondato la sua startup circa un anno e mezzo fa. barocco , con sede a Cambridge, in Inghilterra, ha sviluppato un prototipo di pompa di calore basata su cristalli di plastica che sono correlati al glicole neopentilico ma migliori, dice.

Nel complesso, sono state formate una dozzina di startup per commercializzare la tecnologia e un certo numero di società esistenti, tra cui il gigante cinese degli elettrodomestici Haier e l'Astronautics Corporation of America , ne hanno esplorato anche il potenziale.

Cui prevede che vedremo alcuni dei primi prodotti commerciali basati su materiali che cambiano la temperatura in risposta alla forza e allo stress entro i prossimi 5-10 anni, ma afferma che probabilmente ci vorranno anni in più prima che i prezzi diventino competitivi rispetto ai prodotti di raffreddamento standard .

Aggiornamento: questa storia è stata aggiornata per chiarire i tempi degli esperimenti sul glicole neopentilico.

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